Stav použití titanových slitin v automobilovém průmyslu

V posledních letech, s rychlým rozvojem automobilového průmyslu, přitahuje stále větší pozornost spotřeba paliva, ochrana životního prostředí a otázky bezpečnosti generované automobily. Při pohledu na budoucí směr vývoje automobilového průmyslu jsou tématy vývoje nízká hmotnost, nízká spotřeba paliva a nízké emise. Podle statistik mezinárodních autoritativních úřadů je 60 % energie spalování automobilového paliva spotřebováno jeho vlastní hmotností. Ačkoli vysoce pevné tenké ocelové desky, hliník, hořčík, kompozitní materiály na bázi kovu a materiály z plastické pryskyřice sehrály roli při snižování hmotnosti automobilů, nástup průmyslových titanových materiálů učinil výrobu automobilů lepší volbou.

Kovový titan má výhody nízké hustoty, vysoké měrné pevnosti a dobré odolnosti proti korozi. Použití titanových materiálů v automobilech může výrazně snížit hmotnost karoserie automobilu, snížit spotřebu paliva, zlepšit pracovní účinnost motoru, zlepšit životní prostředí a snížit hluk. Vysoká cena však způsobuje, že slitiny titanu mají určité uplatnění pouze v luxusních modelech a sportovních autech v automobilovém průmyslu a jen zřídka v běžných autech. Proto je výzkum a vývoj nízkonákladových slitin titanu, které splňují potřeby trhu, klíčem k podpoře jeho aplikace v běžných autech pro domácnost.

 

Aktuální stav aplikace slitin titanu v automobilovém průmyslu
Ačkoli slitiny titanu byly široce používány v leteckém, petrochemickém a lodním průmyslu, jejich aplikace v automobilovém průmyslu se vyvíjela pomalu. Vzhledem k tomu, že první celotitanový vůz byl úspěšně vyvinut společností General Motors ve Spojených státech v roce 1956, titanové automobilové díly dosáhly úrovně sériové výroby až v 80. letech 20. století. V 90. letech, s rostoucí poptávkou po luxusních vozech, sportovních vozech a závodních vozech, se titanové díly rychle vyvíjely. V roce 1990 bylo množství titanu používaného v automobilech celosvětově pouze 50 tun, což dosáhlo 500 tun v roce 1997, 1100 tun v roce 2002 a 3000 tun v roce 2009. Očekává se, že množství titanu používaného v automobilech po celém světě přesáhne 5000 tun v roce 2015. V současnosti se běžně používají následující díly ze slitiny titanu.

1. Ojnice motoru
Titanová slitina je ideální volbou pro materiály ojnice. Ojnice motoru vyrobené z titanové slitiny mohou účinně snížit hmotnost motoru, zlepšit účinnost paliva a snížit objem výfukových plynů. Ve srovnání s ocelovými spojovacími tyčemi mohou titanové spojovací tyče snížit hmotnost o 15 % až 20 % hmotnosti. Aplikace ojnic z titanové slitiny se poprvé projevila u nových motorů Ferrari 3.5LV8 a Acura NSX v Itálii. Materiály použité pro ojnice z titanové slitiny jsou hlavně Ti-6Al-4V, Ti-10V-2Fe-3Al, Ti-3 Al-2.0V a Ti-4Al-4Mo-Sn-0.5Si a další materiály ze slitin titanu, jako je Ti-4Al{{19} }Si-4Mn a Ti-7M-4Mo jsou také vyvíjeny pro použití v ojnicích.

2. Ventily motoru
Ventily automobilových motorů vyrobené z titanových slitin mohou nejen snížit hmotnost a prodloužit životnost, ale také snížit spotřebu paliva a zlepšit spolehlivost automobilu. Ve srovnání s ocelovými ventily mohou titanové ventily snížit hmotnost o 30 % až 40 % a mezní otáčky motoru lze zvýšit o 20 %. Pokud jde o současné aplikace, materiál sacího ventilu je převážně Ti-6Al-4V a materiál výfukového ventilu převážně Ti-6242S. Obvykle se Sn a Al přidávají dohromady, aby se dosáhlo nižší křehkosti a vyšší pevnosti; přidání Mo může zlepšit výkon tepelného zpracování titanových slitin, zvýšit pevnost kalených a stárnutí titanových slitin a zvýšit tvrdost. Další slitiny titanu s vývojovým potenciálem jsou:
1) Sací ventil může být vyroben z Ti-62S, který má stejné vlastnosti jako Ti-6Al-4V a je levnější.
2) Výfukový ventil může být vyroben z Ti-6Al-2Sn-4.0Zr-0.4-Po{{7} }.45Si. Díky nižšímu obsahu Mo je jeho odolnost proti tečení lepší než u Ti-6242S a teplota jeho oxidační odolnosti může dosáhnout 600 stupňů .
3) Výfukový ventil může být vyroben z -TiAl, který má vlastnosti vysoké teplotní odolnosti a nízké hmotnosti, ale není vhodný pro zpracování tradičními metodami kování a je vhodný pouze pro odlévání a práškovou metalurgii.

 

3. Sedlo pružiny ventilu

Vysoká pevnost a odolnost proti únavě jsou vlastnosti, které musí mít sedla ventilových pružin. titanová slitina je tepelně zpracovatelná slitina, která může získat vysokou pevnost zpracováním stárnutím v tuhém roztoku. Odpovídající vhodnější materiály jsou Ti-15V-3Cr-3Al-3Sn a Ti-15Mo-3Al-2 .7Nb-0.2Si. Mitsubishi Motors používá u svých sériově vyráběných vozů sedla ventilových pružin Ti{11}}V-4Al z titanové slitiny, což snižuje hmotnost o 42 % ve srovnání s původním ocelovým zámkem, snižuje setrvační hmotnost mechanismu ventilu o 6 % a zvýší maximální otáčky motoru o 300 ot./min.

 

4. Pružiny z titanové slitiny

Titan a jeho slitiny mají nižší modul pružnosti než ocelové materiály, velkou hodnotu σs/E a jsou vhodné pro výrobu elastických součástí. Ve srovnání s ocelovými automobilovými pružinami, za předpokladu stejné elastické práce, je výška titanových pružin pouze 40% výšky ocelových pružin a hmotnost je pouze 30% až 40% hmotnosti ocelových pružin, což je vhodné pro design těla. Kromě toho mohou vynikající únavové vlastnosti a odolnost titanových slitin zvýšit životnost pružin. Mezi materiály ze slitiny titanu, které lze v současnosti použít k výrobě automobilových pružin, patří Ti-4.5Fe6.8Mo-1.5Al a Ti-13V11C-3Al.

 

5. Turbodmychadlo

Turbodmychadla mohou zlepšit účinnost spalování motorů a zvýšit výkon a točivý moment motorů. Rotor turbíny turbodmychadla potřebuje pracovat ve výfukových plynech o vysoké teplotě nad 850 stupňů po dlouhou dobu, proto je vyžadována dobrá tepelná odolnost. Tradiční lehké kovy, jako je hliníková slitina, nelze použít kvůli jejich nízkému bodu tání. Přestože se v rotorech turbín používají keramické materiály kvůli jejich nízké hmotnosti a dobré odolnosti vůči vysokým teplotám, jejich použití je omezené kvůli vysokým nákladům a nemožnosti optimalizovat tvar. Za účelem vyřešení těchto problémů Tetsui et al. vyvinul TiAl turbínový rotor. Po mnoha testech a ověřeních má nejen dobrou životnost a účinnost, ale také může zlepšit akceleraci motoru. Tento design byl úspěšně komercializován v řadě Mitsubishi Lancer Evolution.

 

6. Výfukový systém a tlumič

Titan se používá ve velkém množství ve výfukovém systému automobilů. Výfukové systémy vyrobené z titanu a jeho slitin mohou nejen zlepšit spolehlivost, prodloužit životnost a zlepšit vzhled, ale také snížit hmotnost a zlepšit účinnost spalování paliva. Ve srovnání s ocelovými výfukovými systémy mohou titanové výfukové systémy snížit hmotnost přibližně o 40 %. U vozů řady Golf lze snížit hmotnost titanového výfukového systému o 7 až 9 kg. V současné době je titan používaný ve výfukovém systému převážně průmyslově čistý titan.

Hmotnost titanového tlumiče je pouze 5 až 6 kg, což je lehčí než nerezové tlumiče. Chevrolet Corvette Z06 z roku 2000 používá 11,8 kg titanový tlumič výfuku a výfukový systém, který nahrazuje původní 20 kg systém z nerezové oceli, což snižuje hmotnost o 41 %. Síla vyměněného systému zůstává nezměněna a vůz je rychlejší, flexibilnější a úspornější. Titan použitý v tlumiči je také převážně průmyslově čistý titan.

 

7. Rám těla

Pro zlepšení bezpečnosti a spolehlivosti vozu je nutné zvážit konstrukční a výrobní aspekty, zejména výrobní materiály. Titan je dobrý materiál pro výrobu tělesných rámů. Má nejen vysokou měrnou pevnost, ale má také dobrou houževnatost. V Japonsku si výrobci automobilů vybírají pro výrobu rámů karoserie svařované trubky z čistého titanu, díky nimž se mohou řidiči při řízení cítit dostatečně bezpečně.

 

8. Ostatní díly ze slitiny titanu

Kromě výše uvedených dílů se titan používá také ve vahadlech motoru, pružinách zavěšení, pístních čepech motoru, upevňovacích prvcích pro automobily, maticích, nosníkech dveří automobilů, brzdových konzolách automobilů, pístech brzdových třmenů, čepových šroubech, přítlačných deskách, tlačítkách řazení a automobilové spojkové kotouče a další automobilové díly. Nová generace automobilových konstrukcí věnuje více pozornosti lehké karoserii, nízké spotřebě paliva, nízké hlučnosti a lehkým vibracím motoru, aby splnila stále přísnější ekologické požadavky. V této souvislosti se titan z lehkého kovu stane hlavním aplikačním materiálem pro budoucí automobily.